智能化日冕物质抛射事件观测方法
【专利摘要】本发明公开了一种智能化日冕物质抛射事件观测方法，包括开启日冕物质抛射观测系统，根据观测系统的参数实时采集获取图像数据，并存于内存中；获取差分图像，并判断是否有日冕物质抛射事件发生，若有日冕物质抛射事件发生则报警并调整观测参数及图像的观测模式；再次判断是否有晕状日冕物质抛射事件发生，若有晕状日冕物质抛射事件发生则再次报警；并将采集图像数据存入硬盘中。应用本发明智能化日冕物质抛射事件观测方法能够自动判别日冕物质抛射事件和晕状日冕物质抛射事件的发生，并能够自动调节采集参数，获取的数据速度快，提高了准确率。
【专利说明】智能化日冕物质抛射事件观测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种天文观测领域的日冕活动研究技术，特别涉及一种智能化日冕物质抛射事件观测方法。
【背景技术】
[0002]日冕活动现象与空间天气预报密切相关，对其进行自动识别及报警方法的研究具有重要的应用价值。日冕活动现象主要是针对日冕物质抛射(CME, coronal massejection)来讲的，CME是太阳大气中一种频繁发生的爆发现象,其表现为在几分钟至几小时时间尺度内日冕结构发生明显变化并伴有可观测的物质抛射。
[0003]20世纪70年代初，0S0-7卫星上的日冕仪首次证实太阳大气物质的瞬变抛射，随后skylab、P78-l、SMM、ISEE3、Helios等卫星和飞船上的日冕仪及90年代升空的Yohkoh、S0H0、Ubrsses, Wind、STEREO等卫星上的仪器设备取得了大量的CME观测资料。30多年来，观测分析、理论研究和数值模拟的结果表明，CME不仅是一种瞬变现象，它还可能对日冕的长期演化(例如与11年太阳周有关的太阳磁场变化的日冕响应)起着重要的作用；同时它与许多行星际扰动有着密切的关系，并可引起地球空间环境的剧烈改变CME也是90年代兴起的空间天气研究中的重要内容。
CME具有多种形态，但以环形结构居多。这种环形结构由三部分组成:亮的外环、暗腔和亮核。外环具有前沿和后缘，平均携带着IO15IO16g的物质向外运动，其足点基本上位于日面固定位置。暗腔是有较强磁场的低密度区域；腔内亮桉通常是平均携有IO14 g等离子体的爆发日珥物质。一次典型的CME可携带IO23IO25J的能量到行星际空间。
[0004]由于CME是太阳上的重要活动其强度、角度等将对空间天气产生重大影响，因此CME特性的定量研究及其重要特性的分类不仅对太阳物理、空间天文学科本身具有重要意义，而且对空间环境的预报和防灾、减灾具有一定的实用价值。
[0005]不同亮度和大小的CME对空间灾变环境的影响程度是不同的，必须对CME特性进行强度等级分类、识别。通过对国内外相关研究的调研分析，我们提出了适合我们的观测仪器CME事件识别方法。另外，LASCO日冕仪观测到一种晕状(halo) CME，它发生在日面中心附近，并几乎在所有方向上沿太阳径向向外传播。典型的halo CME到达地球需要31天的时间，而观测到的最快的CME能偶在24小时之内到达地球，例如2003年10月29日的CME，仅仅用了 19个小时就到达地球，因此对它们的实时判别非常重要的，因为这些CME的数据将作为三维磁流体数值模拟计算的输入，通过计算来估计它们将对地球产生的影响，尽早的识别halo CME能够为这些计算、预估、报警赢得时间。国际上有人通过LASCO C2和C3数据的整合，对间隔20分钟左右的数据进行CME的计算和判别。
[0006]然而传统方法采用图像预处理、基于阈值的二值化方法进行图像分割，得到CME前景图像，并提取CME的相关特征，完成CME检测和分类，基于阈值的方法受到阈值选择的影响，而阈值选择过程复杂，且选择的阈值并不一定合适，误判率比较高。
[0007]在第一次报警信号出现以后，系统将根据CME亮度特征的演化趋势，对系统的观测模式、采集速度、CCD曝光时间、图像亮度等进行闭环调节和控制，实现对爆发过程的特别观测。
[0008]但是CME事件发生的时刻很难预测，如果仅仅依靠观测员的操作经验来确定其爆发与否并手动调节各种参数，则常常因为调节不及时，造成CCD数据溢出，根本没有办法观测到爆发活动的演化细节。
【发明内容】
[0009]有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种智能化日冕物质抛射事件观测方法，能够自动判别日冕物质抛射事件和晕状日冕物质抛射事件的发生，且自动调节采集参数，提高准确率。
[0010]本发明的另一目的在于提供一种智能化日冕物质抛射事件观测方法，具有双报警功能，可以更好的实现空间天气监测和预警。
[0011]为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的:
一种智能化日冕物质抛射事件观测方法，该观测方法包括:
A、开启日冕物质抛射观测系统，根据观测系统的参数实时采集获取图像数据，并存于内存中；
B、获取差分图像，并判断是否有日冕物质抛射事件发生，若有日冕物质抛射事件发生则执行步骤C ;若无日冕物质抛射事件发生，则执行步骤E ；
C、报警并调整图像的观测模式；
D、判断是否有晕状日冕物质抛射事件发生，若有晕状日冕物质抛射事件发生则再次报警；并执行步骤E ;
E、采集图像数据并存入硬盘中。
[0012]作为优选方案，步骤A中的参数能够预设或根据日冕物质抛射事件是否发生的结果进行更改。
[0013]作为优选方案，步骤B之前，还包括BO预设灰度范围。
[0014]作为优选方案，所述判断日冕物质抛射事件是否发生的具体过程为:当获取的差分图像的差分数据的灰度大于预设的灰度且超过预设的像素时，则认为有日冕物质抛射事件发生；反之，则认为无日冕物质抛射事件发生。
[0015]作为优选方案，步骤B中差分图像取自两幅间隔60秒的图像。
[0016]作为优选方案，判断晕状日冕物质事件是否发生的具体过程为:确定二值化闕值，对获取的差分数据进行二值化分割，并利用形态学的膨胀、腐蚀处理二值化的图像；对处理后的二值化图像的强度、面积、角度进行计算；当角度大于120°时，则认为有晕状日冕物质抛射事件发生；反之，则认为无晕状日冕物质抛射事件发生。
[0017]作为优选方案，所述二值化闕值的计算方法为:a.计算差分图像的灰度平均值；b.二值化闕值为灰度平均值X (1+0.7)。
[0018]作为优选方案，所述日冕物质抛射观测系统的图像亮度范围为800 Cd/m2 ?1440cd/m2。
[0019]作为优选方案，所述参数包括图像亮度，当观测的图像亮度超过1440 cd/m2时，自动调整曝光时间和增益，降低亮度范围；当观测的图像亮度低于800 cd/m2时，则不保存。[0020]作为优选方案，步骤C中所述调整观测模式的过程为:当判断有日冕物质抛射事件发生时，则启动快速观测模式，调动系统资源以适应快速采集和存储数据的工作方式；当无日冕物质抛射事件发生的时间间隔超过一定时长时，则恢复常规观测模式。
[0021]本发明达到的技术效果如下:
1、本发明智能化日冕物质抛射事件观测方法能够自动判别日冕物质抛射事件和晕状日冕物质抛射事件的发生，且自动调节采集参数，获取的数据速度快，提高了准确率。
[0022]2、本发明智能化日冕物质抛射事件观测方法可以通过启动快速观测模式对haloCME事件发生的数据进行记录，能够实现无人看守的自动观测。
[0023]3、本发明智能化日冕物质抛射事件观测方法预设灰度范围，省去了图像预处理中需要做的平场、暗场、图像数据归一化等复杂的操作，大大减少了计算量。
[0024]4、本发明智能化日冕物质抛射事件观测方法提供双报警功能，可以更准确的实现空间天气的实时监测和预警，减小CME事件或halo CME事件对空间灾变环境的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明智能化日冕物质抛射事件观测方法流程图。
【具体实施方式】
[0026]如图1为本发明智能化日冕物质抛射事件观测方法流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤:
步骤110:开启日冕物质抛射观测系统，根据观测系统的参数实施采集图像数据，如CCD数据，并存于内存中。
[0027]这里的参数能够预设或根据CME事件是否发生的结果进行更改，可以调整采集速度、CCD曝光时间、图像亮度等，实时获取来自日冕物质抛射观测系统的图像数据。例如可预设图像采集的速度为2?3秒/帧，直接来自日冕物质抛射观测系统，保证数据源的实时性。
[0028]步骤120:获取差分图像，并判断是否有CME事件发生，若有CME事件发生，则执行步骤130 ;若无CME事件发生，则执行步骤150。
[0029]经过大量数据分析的结果显示，时间间隔为60秒的两幅图像之差最能够表征日冕物质抛射事件的发生，故，在本实施例中，差分图像取自两幅间隔60秒的图像。
[0030]在步骤120之前，该方法还应包括预设灰度范围。将图像归一化，省去了图像处理中预处理需要做的平场、暗场、数据归一化等复杂的操作，大大减少了计算量，为实现CME事件实时判别奠定了基础。
[0031]所述判断CME事件是否发生的具体过程为:当获取的差分图像的差分数据的灰度大于预设的灰度且超过预设的像素时，则认为有CME事件发生；反之，则认为无CME事件发生。
[0032]在本实施例中，预设的灰度Gt为2100，预设的像素At为225。当获取的差分观测数据内灰度值大于Gt的像素数据超过At时，则判定此刻有CME事件发生，该日冕物质抛射观测系统发出第一次报警，该第一次报警为提示性报警。
[0033]步骤130:报警并调整图像的观测模式。
[0034]这里，所述调整观测模式的过程为:当判断有CME事件发生时，则启动快速观测模式，调动系统资源以适应快速采集和存储数据的工作方式；当无CME事件发生的时间间隔超过一定时长时，则恢复常规观测模式。
[0035]此外当判断有CME事件发生时，该日冕物质抛射观测系统也会自动调整观测的参数，如CCD曝光时间等。
[0036]步骤140:判断是否有halo CME事件发生，若有halo CME事件发生，则再次报警，并执行步骤150。
[0037]步骤150:采集图像数据并存于硬盘中。
[0038]其中，判断halo CME事件是否发生的具体过程为:确定二值化闕值，对获取的差分数据进行二值化分割，并利用形态学的膨胀、腐蚀处理二值化的图像；对处理后的二值化图像的强度、面积、角度等特征进行计算；以展开角度为主要基准，当角度大于角度预设的闕值时，则认为有halo CME事件发生；反之，则认为无halo CME事件发生。在本实施例中，预设的角度闕值为120°。
[0039]其中，确定二值化闕值的计算方案为:a.计算差分图像的灰度平均值Gm ;b.二值化闕值为GmX (1+0.7)。
[0040]当有halo CME事件发生时，则可能对地球空间环境产生较大的影响，因此，系统会发出风险性报警。
[0041]本发明对实时图像实时、自动化的进行CME事件的识别和分类，采用了完全不同与图像处理的方法，并加入了图像范围的限定。在本实施例中，该日冕物质抛射观测系统的图像亮度范围为800 Cd/nTl440Cd/m2，这样省去了图像预处理的复杂计算，大大节约了数据处理的时间，实现了事件的实时观测。在观测过程中，如果观测的图像亮度超过1440 Cd/m2时，自动调整曝光时间和增益，降低亮度范围；当观测的图像亮度低于800 cd/m2时，则不保存。可能有云层飘过，低于该范围之后的数据质量太差不具有科学价值。
[0042]以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种智能化日冕物质抛射事件观测方法，其特征在于，该观测方法包括: A、开启日冕物质抛射观测系统，根据观测系统的参数实时采集获取图像数据，并存于内存中； B、获取差分图像，并判断是否有日冕物质抛射事件发生，若有日冕物质抛射事件发生则执行步骤C ;若无日冕物质抛射事件发生，则执行步骤E ； C、报警并调整图像的观测模式； D、判断是否有晕状日冕物质抛射事件发生，若有晕状日冕物质抛射事件发生则再次报警；并执行步骤E ; E、采集图像数据并存入硬盘中。
2.根据权利要求1所述的智能化日冕物质抛射事件观测方法，其特征在于，步骤A中的参数能够预设或根据日冕物质抛射事件是否发生的结果进行更改。
3.根据权利要求1所述的智能化日冕物质抛射事件观测方法，其特征在于，步骤B之前，还包括BO预设灰度范围。
4.根据权利要求3所述的智能化日冕物质抛射事件观测方法，其特征在于，所述判断日冕物质抛射事件是否发生的具体过程为:当获取的差分图像的差分数据的灰度大于预设的灰度且超过预设的像素时，则认为有日冕物质抛射事件发生；反之，则认为无日冕物质抛射事件发生。
5.根据权利要求1所述的智能化日冕物质抛射事件观测方法，其特征在于，步骤B中差分图像取自两幅间隔60秒的图像。
6.根据权利要求1所述的智能化日冕物质抛射事件观测方法，其特征在于，判断晕状日冕物质事件是否发生的具体过程为:确定二值化闕值，对获取的差分数据进行二值化分害I]，并利用形态学的膨胀、腐蚀处理二值化的图像；对处理后的二值化图像的强度、面积、角度进行计算；当角度大于120°时，则认为有晕状日冕物质抛射事件发生；反之，则认为无晕状日冕物质抛射事件发生。
7.根据权利要求6所述的智能化日冕物质抛射事件观测方法，其特征在于，所述二值化闕值的计算方法为:a.计算差分图像的灰度平均值；b.二值化闕值为灰度平均值X(1+0.7)。
8.根据权利要求1所述的智能化日冕物质抛射事件观测方法，其特征在于，所述日冕物质抛射观测系统的图像亮度范围为800 Cd/nTl440Cd/m2。
9.根据权利要求8所述的智能化日冕物质抛射事件观测方法，其特征在于，所述参数包括图像亮度，当观测的图像亮度超过1440 cd/m2时，自动调整曝光时间和增益，降低亮度范围；当观测的图像亮度低于800 cd/m2时，则不保存。
10.根据权利要求1所述的智能化日冕物质抛射事件观测方法，其特征在于，步骤C中所述调整观测模式的过程为:当判断有日冕物质抛射事件发生时，则启动快速观测模式，调动系统资源以适应快速采集和存储数据的工作方式；当无日冕物质抛射事件发生的时间间隔超过一定时长时，则恢复常规观测模式。
【文档编号】G01W1/00GK103487844SQ201310391553
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月2日 优先权日:2013年9月2日
【发明者】林佳本, 郭娟, 邓元勇, 朱晓明, 曾真 申请人:中国科学院国家天文台